Потенциал и работа электростатического поля. Связь напряженности с потенциалом

1.

Лекция 5. ПОТЕНЦИАЛ И РАБОТА ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ПОЛЯ. СВЯЗЬ
НАПРЯЖЕННОСТИ С ПОТЕНЦИАЛОМ
5.1. Теорема о циркуляции вектора
5.2. Работа сил электростатического поля. Потенциальная энергия
5.3. Потенциал. Разность потенциалов
5.4. Связь между напряженностью и потенциалом
5.5. Силовые линии и эквипотенциальные поверхности
5.6. Расчет потенциалов простейших
электростатических полей

2. 5.1. Теорема о циркуляции вектора

E
В предыдущей теме было показано, что
взаимодействие между покоящимися
зарядами осуществляется через
электростатическое поле. Описание
электростатического поля мы рассматривали
с помощью вектора напряженности E ,
равного силе, действующей в данной точке на
помещенный в неё пробный единичный
F
положительный заряд
E .
q

3.

Существует и другой способ описания поля – с
помощью потенциала. Однако для этого
необходимо сначала доказать, что силы
электростатического поля консервативны, а само
поле потенциально.

4.

Рассмотрим поле, создаваемое неподвижным
точечным зарядом q’. В любой точке этого поля на
пробный точечный заряд q действует сила
Рис. 5.1

5.

1 qq ' r
r
F
F (r ) ,
2
4 0 r r
r
r
где F(r) – модуль вектора силы ,
– единичный
вектор, определяющий положение заряда q относительно
q ', ε0 – электрическая постоянная.

6.

Для того, чтобы доказать, что
электростатическое поле потенциально, нужно
доказать, что силы электростатического поля
консервативны.
Из раздела «Физические основы механики»
известно, что любое стационарное поле
центральных сил является консервативным, т.е.
работа сил этого поля не зависит от формы
пути, а только от положения конечной и
начальной точек.

7.

Вычислим работу, которую совершает
электростатическое поле, созданное
зарядом, по перемещению заряда q
из точки 1 в точку 2.
Работа на пути dl равна:
1 qq'
dA Fdlcosα
dlcosα,
2
4πε0 r
qq'
(5.1.1)
dA
d
r
.
2
4πε0 r
Рис. 5.1
где dr – приращение радиус-вектора при перемещении
на dl;
dr dl cosα,

8.

Полная работа при перемещении из точки 1 в точку 2
равна интегралу:
qq' dr
qq' 1 r2
qq' 1 1
.
A12
2
4 0 r1 r
4 0 r r1 4 0 r1 r2
r2
qq' 1 1
.
A12
4 0 r1 r2
(5.1.2)

9.

Работа электростатических
сил не зависит от формы пути, а
только лишь от координат
начальной и конечной точек
перемещения.
Следовательно, силы поля
консервативны, а само поле –
потенциально.

10.

Если в качестве пробного заряда, перенесенного из
точки 1 заданного поля в точку 2, взять
положительный единичный заряд q, то
элементарная работа сил поля будет равна:
dA qEd l .
Рис. 5.2

11.

Тогда вся работа равна:
A q Ed l .
2
(5.1.3)
1
Такой интеграл по замкнутому контуру называется
циркуляцией вектора
Из независимости линейного интеграла от пути
между двумя точками следует, что по
произвольному замкнутому пути:
(5.1.4)
E
d
l
0
.
Это утверждение и называют теоремой о
циркуляции E .

12.

Для доказательства теоремы разобьем произвольно
замкнутый путь на две части: 1а2 и 2b1 (рис.5.2).
Из сказанного выше следует, что
2
1
1
2
Edl Edl.
(Интегралы по модулю равны, но знаки
противоположны). Тогда работа по замкнутому
пути:
2
1
A q Ed l q Ed l q Ed l 0.
1
2
Рис. 5.2

13.

Теорема о циркуляции позволяет сделать ряд важных
выводов, практически не прибегая к расчетам.
Рассмотрим два простых примера, подтверждающих это
заключение.
Пример1. Линии электростатического поля не могут
быть
замкнутыми. В самом деле, если это не так, и какая-то
линия E – замкнута, то, взяв циркуляцию вдоль этой
линии, мы сразу же придем к противоречию с теоремой о
циркуляции вектора E: Ed l 0 . А в данном случае
направление интегрирования в одну сторону, поэтому
циркуляция вектора E не равна нулю, т.е.
Ed l 0

14.

Возможна ли конфигурация электростатического
поля как на рисунке 5.3,а?
Пример 2.
Рис. 5.3,а

15.

Рис. 5.3,б
Нет невозможна! Применим теорему о циркуляции вектора к
замкнутому контуру, показанному пунктиром на рис. 5.3,б.
Стрелки здесь показывают направление
обхода. На вертикальных
участках E перпендикулярно l и А = 0. Остаются два одинаковых
по длине горизонтальных участка. Из рисунка видно, что вклады в
циркуляцию на этих участках противоположны по знаку, но не
равны по модулю:
больше там, где линии гуще, поэтому
циркуляция отлична от нуля, что противоречит теореме о
циркуляции.

16. 5.2. Работа сил электростатического поля. Потенциальная энергия

Мы сделали заключение, что
электростатическое поле потенциально.
Следовательно, можно ввести функцию
состояния, зависящую от координат –
потенциальную энергию.

17.

Исходя из принципа суперпозиции сил ,
F Fk
k
можно показать, что общая работа А будет равна
сумме работ каждой силы:
A Ak .
(5.2.1)
k
Здесь каждое слагаемое не зависит от формы
пути, следовательно, не зависит от формы
пути и сумма.

18.

Работу сил электростатического поля
можно выразить через убыль
потенциальной энергии – разность двух
функций состояний:
A12 W1 W2 .
(5.2.2)
Это выражение для работы можно переписать
qq'
qq'
A12
.
в виде
(5.2.3)
4πε0 r1 4πε0 r2
Сопоставляя формулу (5.2.2) и (5.2.3),
получаем выражение для потенциальной
энергии заряда q' в поле заряда q:
1 qq'
W
const.
4πε0 r
(5.2.4)

19. 5.3. Потенциал. Разность потенциалов

Разные пробные заряды q1, q2,… будут
обладать в одной и той же точке поля
разными энергиями W1, W‘2 и так далее.
Однако отношение W / qk пр. будет для всех
зарядов одним и тем же. Поэтому можно
вести скалярную величину, являющуюся
энергетической характеристикой
собственно поля – потенциал:
W
.
qk
(5.3.1)

20.

W
.
qk
• Из этого выражения следует, что
потенциал численно равен
потенциальной энергии, которой
обладает в данной точке поля
единичный положительный заряд.

21.

Подставив в (3.3.1.) значение потенциальной
энергии (5.2.4), получим для потенциала
точечного заряда следующее выражение:
(3.3.2)
1 q
φ
4πε0 r
.
Потенциал, как и потенциальная энергия,
определяют с точностью до постоянной
интегрирования.

22.

физический смысл имеет не потенциал, а
разность потенциалов, поэтому
договорились считать, что потенциал
точки, удаленной в бесконечность,
равен нулю.
Когда говорят «потенциал такой-то точки»
– имеют в виду разность потенциалов
между этой точкой и точкой, удаленной
в бесконечность.

23.

Другое определение потенциала:
A
φ
q
или
A qφ
т.е. потенциал численно равен работе, которую
совершают силы поля над единичным
положительным зарядом при удалении его из
данной точки в бесконечность
(или наоборот – такую же работу нужно
совершить, чтобы переместить единичный
положительный заряд из бесконечности в
данную точку поля). При этом φ 0 , если q > 0.

24.

Если поле создается системой зарядов, то,
используя принцип суперпозиции, получаем:
qk q '
1
(5.3.3)
W
.
4πε0 k rk
Тогда и для потенциала φ φ k или
k
(5.3.4)
1
φ
4 πε 0
qk
r
k
k
т.е. потенциал поля, создаваемый системой
зарядов, равен алгебраической сумме
потенциалов, создаваемых каждым из зарядов в
отдельности.
А вот напряженности складываются при
наложении полей – векторно.

25.

Выразим работу сил электростатического поля
через разность потенциалов между начальной и
конечной точками:
A12 W1 W2 φ1q φ 2 q q φ1 φ 2 .
Таким образом, работа над зарядом q равна
произведению заряда на убыль потенциала:
(5.3.6)
1
2
A q φ φ
qU ,
где U – напряжение.
A qU

26.

Формулу A qφ можно использовать для
установления единиц потенциала:
за единицу φ принимают потенциал в такой точке
поля, для перемещения в которую из
бесконечности единичного положительного
заряда необходимо совершить работу равную
единице.
В СИ единица потенциала 1 В 1 Дж/1 Кл
Электрон - вольт (эВ) – это работа, совершенная
силами поля над зарядом, равным заряду
электрона при прохождении им разности
потенциалов 1 В, то есть:
1 эВ 1,6 10
19
Кл В 1,6 10
19
Дж.

27. 5.4. Связь между напряженностью и потенциалом

Изобразим перемещение заряда q по
произвольному пути l в электростатическом
поле .
Работу, совершенную силами электростатического
поля на
бесконечно малом отрезке d l можно найти так:
dA Fl dl El qdl ,
(5.4.1)

28.

эта работа, если она совершена
электростатическим полем, равна убыли
потенциальной энергии заряда,
перемещенного на расстоянии dl:
dA qdφ; El qdl qdφ
отсюда
dφ
El .
dl
(5.4.2 )

29.

Для ориентации dl (направление перемещения) в
пространстве, надо знать проекции на оси
координат:
E
i
j
k,
x
y
z
где i, j, k –
орты осей – единичные векторы.
По определению градиента сумма первых
производных от какой-либо функции по
координатам есть градиент этой функции
grad
i
j
k,
x
y
z
gradφ – вектор, показывающий направление
наибыстрейшего увеличения функции.

30.

Коротко связь между Eи φ записывается так:
или так:
E grad φ
E φ
(3.4.4)
(3.4.5)
где (набла) означает символический вектор,
называемый оператором Гамильтона.
Знак минус говорит о том, что вектор направлен в
сторону уменьшения потенциала электрического
поля.

31. 5.5. Безвихревой характер электростатического поля

Из условия
следует одно важное
E φ
соотношение, а именно,
величина, векторного
произведения [ , E] для стационарных
электрических полей всегда равна нулю.
Действительно, по определению, имеем
,
i
j
k
i
j
k
[ , E]
φ 0
x y z x y z
φ φ φ
x y z x y z
поскольку определитель содержит две одинаковые
строки.

32.

Величина
вихрем
[ , E]называется ротором или
Мы получаем важнейшее уравнение
электростатики:
(5.5.1)
rotE 0
Таким образом кулоновское электростатическое
поле – безвихревое.

33.

Согласно теореме Стокса, присутствует следующая
связь между контурным и поверхностным
интегралами:
0
S
d
E
rot
)
l
d
,
E
(
L
S
где контур L ограничивающий поверхность S,
ориентация которой определяется направлением
вектора положительной нормали n : dS ndS
Поэтому работа при перемещении заряда по
любому замкнутому пути в
электростатическом поле равна нулю.